NTC-Thermistordimensionierung für Kondensatoreinstrom

Das aktuelle Problem mit dem Einschaltstrom

Wenn Sie jemals ein Netzteil mit einer großen Elektrolytkappe am Eingang entworfen haben, kennen Sie das befriedigende „Geräusch“, wenn Sie den Schalter umlegen — oder den weitaus weniger befriedigenden Anblick einer durchgebrannten Sicherung oder eines toten Brückengleichrichters. Das ist der Einschaltstrom, der sein Ding macht: ein massiver Überstrom, der entsteht, wenn man einen entladenen Kondensator auf eine Spannungsquelle drückt, ohne dass ihm dadurch eine Impedanz im Weg steht.

Folgendes passiert. Genau in dem Moment, in dem Sie den Schalter schließen, sieht Ihre entladene Kappe elektrisch wie ein Kurzschluss aus. Das einzige, was den Strom begrenzt, ist der Widerstand, der im Pfad vorhanden ist — die Quellenimpedanz, vielleicht ein paar Milliohm des Kabels und was auch immer Sie bewusst hinzugefügt haben. Nehmen wir eine typische Offline-Stromversorgung mit einem 330-µF-Großkondensator, der sich hinter einem Brückengleichrichter befindet. Schließen Sie ihn an ein 230-VAC-Stromnetz an (325 V Spitzenwert), und Sie können problemlos 100 A oder mehr für ein paar Millisekunden sehen. Das reicht aus, um Relaiskontakte zusammenzuschweißen, Leistungsschalter zu durchbrennen oder Ihre Halbleiter weit über das hinaus zu belasten, wofür sie vorgesehen sind.

Die Lösung, nach der die meisten von uns zuerst greifen, ist ein NTC-Thermistor — das ist ein negativer Temperaturkoeffizient für jeden, der Punkte sammelt —, der in Reihe mit dem AC-Eingang angeschlossen ist. Wenn es kalt ist, wirkt er wie ein mäßig hoher Widerstand, der die Überspannung dämpft. Wenn dann Strom durch ihn fließt, erwärmt sich der Thermistor von selbst und sein Widerstand sinkt auf einen viel niedrigeren „heißen“ Wert. Dadurch bleibt der Leistungsverlust im stationären Zustand angemessen. Der Trick besteht darin, es richtig zu dimensionieren, und hier wird es interessant.

Wichtige Beziehungen

Wenn Sie einen entladenen Kondensator über einen Vorwiderstand mit einer DC-äquivalenten Spitzenspannung$V_{pk}$aufladen, ergibt sich aus dem Spitzeneinschaltstrom:

Hier ist$R_{cold}$der Widerstand des NTC bei Raumtemperatur — normalerweise wird er mit 25 °C angegeben. Dies ist der absolut schlimmste Fall: Strom wird direkt an der Spitze der Wechselstromwellenform angelegt, während der Kondensator vollständig leer ist.

Die Zeitkonstante für diese RC-Ladeschaltung ist:

Hier erfahren Sie, wie schnell sich die Kappe auflädt, und was für unsere Zwecke noch wichtiger ist, wie lange der NTC dort sitzen muss, um Energie zu absorbieren, bevor der Strom auf etwas Vernünftiges abklingt.

Nun zur Energieberechnung. Der NTC-Thermistor muss während des Einschaltereignisses Energie absorbieren, und die Menge beträgt ungefähr:

Wenn Sie mit einem vollständig entladenen Kondensator beginnen, wo$V_{cap,0} = 0$ist, vereinfacht sich das ganz schön:Ich sollte darauf hinweisen, dass dies eine kleine Vereinfachung ist. Während eines RC-Ladevorgangs wird die von der Quelle gelieferte Energie ungefähr in zwei Hälften aufgeteilt — der Kondensator speichert die Hälfte, und der Widerstand leitet die andere Hälfte als Wärme ab. Am Ende absorbiert der Thermistor also Energie im Wert von ungefähr §12. Dieser Wert muss unbedingt unter der maximalen Nennleistung des NTC für die Einzelimpulsenergie bleiben. Wenn Sie diesen Grenzwert überschreiten, sehen Sie einen kaputten Thermistor oder einen, der ausfällt. Das ist nicht die Art von Spannung, die Sie von Ihrem Netzteil erwarten.

Funktioniertes Beispiel: 230-VAC-Offline-Versorgung

Schauen wir uns eine Übung zur richtigen Größe für ein ziemlich häufiges Szenario an:

• Versorgungsspannung: 230 VAC RMS, was uns$V_{pk} = 230 \times \sqrt{2} \approx 325\,\text{V}$- Filterkapazität: $C = 330\,\mu\text{F}$- Soll-Spitzeneinschaltstrom: $I_{target} = 15\,\text{A}$(ein angemessener Grenzwert für die meisten Designs)
  • NTC-Hitzebeständigkeit: $R_{hot} = 0.5\,\Omega$(typischer Wert aus Datenblättern bei Betriebstemperatur)
  Schritt 1 — Ermitteln Sie die erforderliche Kältebeständigkeit:
  $$R_{cold} = \frac{V_{pk}}{I_{target}} = \frac{325}{15} \approx 21.7\,\Omega$$
  NTC-Standardwerte sind nicht in 21,7 Ω angegeben. Sie würden also den nächstgelegenen Standardwert von 22 Ω bei 25 °C wählen. Schritt 2 — Überprüfen Sie den tatsächlichen Spitzeneinstrom anhand des ausgewählten Werts:
  $$I_{peak} = \frac{325}{22} = 14.8\,\text{A}$$
  Das liegt deutlich unter unserem 15-A-Ziel, also können wir loslegen. Ein kleiner Spielraum hat noch niemandem geschadet. Schritt 3 — Berechne die Zeitkonstante:
  $$\tau = 22 \times 330 \times 10^{-6} = 7.26\,\text{ms}$$
  Das Einschaltereignis endet im Wesentlichen innerhalb von etwa$5\tau$, was ungefähr 36 Millisekunden entspricht — das sind ungefähr zwei komplette Netzzyklen. Während dieses Zeitfensters beginnt sich der Thermistor von selbst zu erwärmen, aber der Kältewiderstand macht die Hauptarbeit bei der Strombegrenzung. Schritt 4 — Ermitteln Sie die vom NTC absorbierte Energie:

  §7 §

  Sie benötigen einen NTC, der für eine Einzelimpulsenergie von mindestens 17,4 J ausgelegt ist. Etwas wie das Ametherm SL32 2R522 würde hier funktionieren — das ist ein 22-Ω-Gerät, das für 2,2 A stationären Strom und 45 J maximale Energie ausgelegt ist. Viel Spielraum, was genau das ist, was Sie wollen.

  Schritt 5 — Überprüfen Sie die Verlustleistung im stationären Zustand:

  Nehmen wir an, Ihr Netzteil zieht bei Volllast 2 A RMS, und all das fließt durch den NTC. Die Ableitung des Wärmewiderstands ergibt:

  §8 §

  Das ist überschaubar, aber es ist nicht nichts — es wird auf jeden Fall in Ihren Effizienzberechnungen auftauchen. Bei Designs mit höherer Leistung und einer Leistung von über 200 W wechseln die meisten Techniker zu einem aktiven Einschaltbegrenzer, der den NTC nach dem Start mithilfe eines Relais umgeht. Sie erhalten die Strombegrenzung, wenn Sie sie benötigen, und schalten sie dann für den normalen Betrieb aus.

  Praktische Überlegungen zum Design

  Das Timing im schlimmsten Fall ist wichtiger als Sie denken: Das absolut schlimmste Szenario ist, wenn Sie bei vollständig entladenem Kondensator direkt an der Spitze der Wechselstromwellenform Strom anlegen. Aber hier ist etwas, das die Leute anzieht: Wenn Ihr Produkt schnell wieder ein- und ausgeschaltet werden kann, ist der NTC möglicherweise immer noch warm (d. h. niedriger Widerstand) vom vorherigen Einschaltzyklus. In diesem Zustand begrenzt es den nächsten Einschaltstrom nicht annähernd so effektiv. Die Abkühlzeit entnehmen Sie dem Datenblatt — in der Regel sind es 30 bis 60 Sekunden. Wenn Ihre Anwendung schnelle Stromwechsel bewältigen muss, sollten Sie einen festen Widerstand mit einem Bypass-Relais in Betracht ziehen oder stattdessen auf einen aktiven Limiter-IC umschalten. Die Leistungsreduzierung ist nicht verhandelbar: Die im Datenblatt angegebenen NTC-Energieeffizienzwerte beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 25 °C. Stecken Sie den Thermistor in ein warmes Gehäuse — sagen wir 50 °C, was ziemlich typisch ist — und er beginnt bei einem niedrigeren Widerstand und absorbiert am Ende mehr Energie pro Einschaltvorgang. Immer herabsetzen. Normalerweise strebe ich als absolutes Minimum eine Marge von mindestens 30% bei der Energieeffizienzklasse an. Bei einigen Designs ist sogar noch mehr garantiert, wenn die thermischen Bedingungen knapp sind. Mehrere Kondensatoren erschweren die Dinge: Wenn Ihr Design mehrere Kondensatoren auf verschiedenen Schienen hat, die sich alle beim Einschalten alle gleichzeitig aufladen, müssen Sie alle ihre individuellen$\frac{1}{2}CV^{2}$Energiebeiträge zusammenfassen. Mit dieser Summe muss der NTC umgehen. Dies ist eines der Details, die leicht übersehen werden, wenn Sie nur an die Hauptkapsel denken. Die Platzierung ist einfach, aber entscheidend: Der NTC wird vor dem Brückengleichrichter in Reihe mit dem AC-Netzeingang geschaltet. Wenn Sie ihn dort positionieren, begrenzt er den Strom in beiden Halbzyklen während der ersten Ladeschwelle. Stellen Sie es woanders hin und Sie erhalten wahrscheinlich nicht den Schutz, den Sie sich vorstellen.

  Versuch es

  Anstatt diese Berechnungen jedes Mal, wenn Sie ein neues Netzteil spezifizieren, von Hand durchzuarbeiten — und seien wir ehrlich, das macht niemandem Spaß —, können Sie den Einschaltstrombegrenzer (NTC) -Rechner öffnen und einfach Ihre Versorgungsspannung, Kapazität, den Soll-Einschaltstrom und den Heißwiderstand des NTC eingeben. Der Rechner gibt sofort den erforderlichen Kältewiderstand, den tatsächlichen Spitzenstrom, die Zeitkonstante und die absorbierte Energie aus. Er bietet Ihnen alles, was Sie benötigen, um beim ersten Versuch den richtigen Thermistor auszuwählen. Das ist besser als die Alternative, drei verschiedene Teile zu bestellen und sie alle zu testen.